Tel. & Fax , url: &

Transcript

1 ΑΝΩΤΑΤΗ ΣΧΟΛΗ ΠΑΙΔΑΓΩΓΙΚΗΣ ΚΑΙ ΤΧΝΟΛΟΓΙΚΗΣ ΚΠΑΙΔΥΣΗΣ ΤΜΗΜΑ ΚΠΑΙΔΥΤΙΚΩΝ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΙΑΣ Ανδρόνικος. Φιλιός, Καθηγητής, Δρ. Μηχ/γος Μηχ/κος SCHOOL OF PEDAGOGICAL AND TECHNOLOGICAL EDUCATION DEPARTMENT OF MECHANICAL ENGINEERING EDUCATORS Andronikos E. Filios, Professor, Ph.D. Διεύθυνση: Ν. Ηράκλειο , Αττική. Address: N. Heraclion, , Attica, Hellas Tel. & Fax , url: & 10 Οκτωβρίου 2011 Προς τη Συνέλευση του Τμήματος κπαιδευτικών Μηχανολογίας έμα: ισήγηση για τη διεξαγωγή των μαθημάτων «Υπολογιστικές Μέθοδοι στη Μηχανολογία Ι» και «Υπολογιστικές Μέθοδοι στη Μηχανολογία ΙΙ» Σχετ.: α) Προϊσταμένου της 25/9/2011 με θέμα «πιθυμία διδασκαλίας μαθημάτων μελών Π » β) Αίτηση (με 26/9/2011) ανάθεσης διδακτικού έργου για το θεωρητικό μέρος των μαθημάτων ΥΜΜ Ι και ΥΜΜ ΙΙ γ) Αίτηση (με 26/9/2011) εποπτείας του εκπ. έργου για το εργαστηριακό μέρος των μαθημάτων ΥΜΜ Ι και ΥΜΜ ΙΙ Σε συνέχεια των ανωτέρω σχετικών και της επικείμενης απόφασης του Συμβουλίου Τμήματος για ανάθεση διδακτικού έργου στα μέλη Π του Τμήματος, σας γνωρίζω την εισήγηση μου τη διεξαγωγή των μαθημάτων «Υπολογιστικές Μέθοδοι στη Μηχανολογία Ι» και «Υπολογιστικές Μέθοδοι στη Μηχανολογία ΙΙ». Ανδρόνικος. Φιλιός Καθηγητής

2 ΙΣΗΓΗΣΗ ΓΙΑ ΤΗ ΔΙΞΑΓΩΓΉ ΤΩΝ ΜΑΗΜΑΤΩΝ «ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΙΚΣ ΜΟΔΟΙ ΣΤΗ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΙΑ Ι» ΚΑΙ «ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΙΚΣ ΜΟΔΟΙ ΣΤΗ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΙΑ ΙΙ» ΤΟΥ ΙΔΙΚΟΥ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑΤΟΣ ΣΠΟΥΔΩΝ ΤΟΥ ΤΜΗΜΑΤΟΣ ΚΠ. ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΙΑΣ Σε συνέχεια των, από 26/9/2011 διαβιβασθέντων με , αιτήσεων ανάθεσης: α) διδακτικού έργου για το θεωρητικό μέρος των μαθημάτων και β) εποπτείας του εκπ. έργου για το εργαστηριακό μέρος των μαθημάτων Ανδρόνικος. Φιλιός, Δρ. Μηχανολόγος Μηχανικός Καθηγητής Περιεχόμενα εισήγησης 1. ΠΡΟ ΙΑΓΡΑΦΣ ΓΙΑ ΤΗΝ ΑΝΑΠΤΥΞΗ ΚΑΙ ΥΠΟΣΤΗΡΙΞΗ ΤΟΥ ΜΑΗΜΑΤΟΣ 3 2. ΣΧ ΙΟ ΜΑΗΜΑΤΟΣ «ΥΜΜ Ι» Ασκήσεις φαρμογές για το θεωρητικό και το εργαστηριακό μέρος του μαθήματος 6 3. ΣΧ ΙΟ ΜΑΗΜΑΤΟΣ «ΥΜΜ ΙΙ» Ασκήσεις φαρμογές για το θεωρητικό και το εργαστηριακό μέρος του μαθήματος Με το ελεύθερο λογισμικό OpenFoam Με ανάπτυξη προγράμματος στο Matlab Με ελεύθερο λογισμικό FEA / FEM ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Α: ΠΡΙΓΡΑΜΜΑΤΑ ΜΑΗΜΑΤΩΝ «ΥΜΜ» ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΙΚΣ ΜΟ ΟΙ ΣΤΗ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΙΑ Ι Στοιχεία του μαθήματος Σκοπός και στόχοι του μαθήματος Περιγραφή του μαθήματος Βιβλιογραφία ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΙΚΣ ΜΟ ΟΙ ΣΤΗ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΙΑ ΙΙ Στοιχεία του μαθήματος Σκοπός και στόχοι του μαθήματος Περιγραφή του μαθήματος Βιβλιογραφία ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Β: SCREENSHOTS ΑΠΟ ΤΗΝ ΠΛΑΤΦΟΡΜΑ GUNET eclass 21 Ανδρόνικος. Φιλιός Σελίδα 2 από 22 aef_eisigisi_ymm.doc

3 1. ΠΡΟΔΙΑΓΡΑΦΣ ΓΙΑ ΤΗΝ ΑΝΑΠΤΥΞΗ ΚΑΙ ΥΠΟΣΤΗΡΙΞΗ ΤΟΥ ΜΑΗΜΑΤΟΣ Σχεδιασμός του μαθήματος που διδάσκεται στις δύο κατευθύνσεις του ειδικού προγράμματος σπουδών και τα δύο ακαδημαϊκά εξάμηνα έχοντας τις περισσότερες πιστωτικές μονάδες κατά τρόπο που να εξασφαλίζεται αφενός η κάλυψη της προβλεπόμενης διδακτέας ύλης και αφετέρου, λόγω της φύσης του, την πλήρη διασύνδεση του θεωρητικού με το εργαστηριακό μέρος. Άλλωστε, τόσο η ελληνική αλλά και η διεθνής εμπειρία συνηγορούν στο τελευταίο. Για την επίτευξη του προαναφερομένου απαιτείται η συγκρότηση των αντιστοίχων «σχεδίων μαθήματος» στα οποία θα πρέπει να τεκμηριώνεται η ανωτέρω διασύνδεση. Τα περιγράμματα των δύο μαθημάτων, όπως εμφανίζονται στο υφιστάμενο πρόγραμμα του Β κύκλου σπουδών του Τμήματος, επισυνάπτονται ως «ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Α: ΠΡΙΓΡΑΜΜΑΤΑ ΜΑΗΜΑΤΩΝ «ΥΜΜ» στην παρούσα εισήγηση. Καθιέρωση κανονισμού διεξαγωγής των εργαστηριακών μαθημάτων στον οποίο θα καθορίζονται οι υποχρεώσεις εκπαιδευτών & σπουδαστών καθώς και η λειτουργία ργαστηρίου Η/Υ του Τμήματος. Υποστήριξη του μαθήματος μέσω της πλατφόρμας ασύγχρονης τηλεκπαίδευσης (eclass), έως ότου αναπτυχθεί στην πλατφόρμα των ανοικτών ακαδημαϊκών μαθημάτων. Το απαιτούμενο εκπαιδευτικό υλικό θα διατίθεται μέσω της πλατφόρμας eclass. Ήδη, πριν ακόμα την έγκριση της υποβληθείσας ιδρυματικής πρότασης, έχει ξεκινήσει ο σχεδιασμός και η ανάπτυξη των εν λόγω μαθημάτων για την πλατφόρμα open eclass η οποία θα φιλοξενεί ακαδημαϊκά μαθήματα στα οποία θα έχουν πρόσβαση όλα τα ακαδημαϊκά ιδρύματα της χώρας. ιδικότερα, έχουν δημιουργηθεί δύο (2) ψηφιακά μαθήματα στην πλατφόρμα GUNET open eclass ( η πρόσβαση στα οποία γίνεται με τη χρήση ενός απλού φυλλομετρητή (web browser) χωρίς την απαίτηση εξειδικευμένων τεχνικών γνώσεων. Για τα δύο μαθήματα που έχουν δημιουργηθεί στην ανωτέρω πλατφόρμα (ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Β: SCREENSHOTS ΑΠΟ ΤΗΝ ΠΛΑΤΦΟΡΜΑ GUNET eclass), έχει αρχίσει ο εμπλουτισμός τους με το απαραίτητο εκπαιδευτικό υλικό (διδακτικές σημειώσεις, ασκήσεις, θέματα, χρήσιμοι σύνδεσμοι). Αξιοποίηση της υφιστάμενης πλατφόρμας eclass του GUNET για video conferences και συνεργασίες μεταξύ του εκπαιδευτών και των εκπαιδευόμενων, εφόσον απαιτηθεί. γκατάσταση σε όλους τους Η/Υ του ργαστηρίου Η/Υ του Τμήματος δύο (2) λειτουργικών συστημάτων, Windows και Linux (προτιμητέα η διανομή Ubuntu), έτσι ώστε να καταστούν dual boot και ο χρήστης να επιλέγει κάθε φορά το λειτουργικό που επιθυμεί να «τρέξει» την εφαρμογή ή εφαρμογές του. Καθημερινή λειτουργία του ργαστηρίου Η/Υ του Τμήματος για την εξυπηρέτηση των σπουδαστών οι οποίοι καλούνται να εκτελέσουν αριθμητικούς υπολογισμούς προγραμματίζοντας και κάνοντας χρήση μιας ποικιλίας λογισμικών. Συγκρότηση «δεξαμενής» ασκήσεων - προβλημάτων και test cases η οποία σταδιακά θα εμπλουτίζεται από τις καλύτερες εργασίες που θα παραδίδονται από τους σπουδαστές. Κάθε ακαδημαϊκό ε- ξάμηνο θα επιλέγονται τα τρία καλύτερα προγράμματα που αναπτύχθηκαν στο Matlab ή Octave από τους σπουδαστές τα οποία θα αναρτώνται με την αντίστοιχη τεκμηρίωση στην ιστοσελίδα του μαθήματος. Σχεδιασμός και οργάνωση web σεμιναρίων (webinars) προγραμματισμού ή χρήσης λογισμικών με κατά προτίμηση τα «ελεύθερα» ή «ανοικτά». Ανδρόνικος. Φιλιός Σελίδα 3 από 22 aef_eisigisi_ymm.doc

4 2. ΣΧΔΙΟ ΜΑΗΜΑΤΟΣ «ΥΜΜ Ι» Το παρακάτω σχέδιο μαθήματος αποτελεί την 3 η αναθεωρημένη έκδοση, στην οποία επιχειρείται πλήρης διασύνδεση του θεωρητικού με το εργαστηριακό μέρος του μαθήματος. α/α βδ. Δ Συνοπτική περιγραφή διδακτικού έργου και αναθέσεις εργασιών Αρχιτεκτονική Η/Υ: ισαγωγή στη δομή, οργάνωση, λειτουργία και απόδοση των υπολογιστών. Υποσυστήματα Η/Υ (Κεντρική Μονάδα πεξεργασίας, Σύστημα Μνήμης, Σύστημα ιασύνδεσης των Μονάδων και Μονάδες ισόδου/ ξόδου). Οργάνωση της πληροφορίας στον Η/Υ. Κεντρική Μονάδα πεξεργασίας. Σύστημα Μνήμης. ίσοδος/ έξοδος πληροφοριών από τον Η/Υ. Λειτουργικά Συστήματα: Windows, Linux και διανομές, Unix. Γλώσσες προγραμματισμού: Γλώσσες χαμηλού και υψηλού επιπέδου (πλεονεκτήματα μειονεκτήματα). Δομημένος προγραμματισμός και πρακτικοί κανόνες για τη σύνταξη δομημένων προγραμμάτων. Λογισμικό: λεύθερο Λογισμικό, Λογισμικό Ανοικτού Κώδικα και μπορικό Λογισμικό. Λογισμικό για μηχανικούς (Matlab, Octave, Ansys, OpenFoam, Ζ88 FEM, FreeFem++, Lisa FEM, κλπ) ισαγωγή στο Matlab (1): ργαστηριακές ασκήσεις ισαγωγικές έννοιες αριθμητικής ανάλυσης: εώρημα Taylor, Αριθμητικά σφάλματα, υστάθεια και σύγκλιση α- ριθμητικών σχημάτων. Δύο (2) ασκήσεις για την προσέγγιση συναρτήσεων και των παραγώγων τους με σειρά Taylor. Δύο (2) ασκήσεις για απόλυτα και σχετικά αριθμητικά σφάλματα Δύο (2) ασκήσεις για ευσταθή/ασταθή αριθμητικούς υπολογισμούς. ισαγωγή στο Matlab (2): ργαστηριακές ασκήσεις Αριθμητική επίλυση μη γραμμικών εξισώσεων: Μέθοδος διχοτόμησης, Μέθοδος σταθερού σημείου, Μέθοδος Newton Raphson, Μέθοδος τέμνουσας. Άσκηση 1: Υπολογισμός ρίζας εξίσωσης με τη μέθοδο της διχοτόμησης. Άσκηση 2: Υπολογισμός ρίζας εξίσωσης με τη μέθοδο του σταθερού σημείου. Άσκηση 3: Υπολογισμός ρίζας εξίσωσης με τη μέθοδο Newton Raphson. Άσκηση 4: Υπολογισμός ρίζας εξίσωσης με τη μέθοδο της τέμνουσας. πίλυση των ανωτέρω ασκήσεων / εργασιών στο Matlab ή Octave πίλυση συστημάτων γραμμικών αλγεβρικών εξισώσεων (1. Μέθοδοι άμεσης επίλυσης) Μέθοδος αναστροφής πίνακα, Μέθοδος απαλοιφής Gauss, Μέθοδος Gauss-Jordan, Μέθοδος Cholesky, Crout s Method, Αλγόριθμος Thomas για τριδιαγώνια συστήματα Άσκηση 1: πίλυση συστήματος 2x2 γραμμικών εξισώσεων με τη μέθοδο αναστροφής πίνακα. Άσκηση 2: πίλυση συστήματος 3x3 γραμμικών εξισώσεων με τη μέθοδο Gauss-Jordan. Άσκηση 3: πίλυση συστήματος 3x3 γραμμικών εξισώσεων με τη μέθοδο Cholesky. Άσκηση 4: πίλυση συστήματος 3x3 γραμμικών εξισώσεων με τη μέθοδο Crout. Άσκηση 5: πίλυση συστήματος 4x4 γραμμικών εξισώσεων με τον αλγόριθμο Thomas. πίλυση των ανωτέρω ασκήσεων / εργασιών στο Matlab ή Octave πίλυση συστημάτων γραμμικών αλγεβρικών εξισώσεων (2. Μέθοδοι επαναληπτικής επίλυσης) Μέθοδος Jacobi, Μέθοδος Gauss-Seidel, Μέθοδος διαδοχικής υπερχαλάρωσης. Άσκηση 1: πίλυση συστήματος 3x3 γραμμικών εξισώσεων με τη μέθοδο Jacobi. Άσκηση 2: πίλυση συστήματος 3x3 γραμμικών εξισώσεων με τη μέθοδο Gauss-Seidel. πίλυση των ανωτέρω ασκήσεων / εργασιών στο Matlab ή Octave Ανδρόνικος. Φιλιός Σελίδα 4 από 22 aef_eisigisi_ymm.doc

5 α/α βδ. Δ Συνοπτική περιγραφή διδακτικού έργου και αναθέσεις εργασιών Προσέγγιση συναρτήσεων, παρεμβολή και συσχέτιση: Γραμμική παρεμβολή και σφάλμα στην προσέγγιση, Πολυωνυμική παρεμβολή και σφάλμα στην προσέγγιση, Παρεμβολή με τη μέθοδο των ελαχίστων τετραγώνων. Άσκηση 1: Γραμμική παρεμβολή σε πειραματικές μετρήσεις. Άσκηση 2: Πολυωνυμική παρεμβολή σε πειραματικές μετρήσεις. Άσκηση 3: Προσδιορισμός συνάρτησης που προσεγγίζει καλύτερα πειραματικές μετρήσεις. πίλυση των ανωτέρω ασκήσεων / εργασιών στο Matlab ή Octave Πεπερασμένες διαφορές και παρεμβολή: Τελεστές πεπερασμένων διαφορών (διαφορές προς τα εμπρός, διαφορές προς τα πίσω, κεντρικές διαφορές) Αριθμητική παραγώγιση (1): Παραγώγιση με τον εμπρός κανόνα παρεμβολής του Newton, Παραγώγιση με τον πίσω κανόνα παρεμβολής του Newton, Παραγώγιση με κεντρικές διαφορές. Άσκηση 1: Υπολογισμός της πρώτης και δεύτερης παραγώγου σε σημείο στο κάτω όριο πινακοποιημένων τιμών. Άσκηση 2: Υπολογισμός της πρώτης και δεύτερης παραγώγου σε σημείο στο άνω όριο πινακοποιημένων τιμών. Άσκηση 3: Υπολογισμός της πρώτης και δεύτερης παραγώγου σε σημείο στο μέσο πινακοποιημένων τιμών. πίλυση των ανωτέρω ασκήσεων / εργασιών στο Matlab ή Octave Αριθμητική παραγώγιση (2): Παραγώγιση με τον κανόνα παρεμβολής του Stirling, Προσδιορισμός ακρότατων σημείων (ελάχιστα & μέγιστα), Μέθοδος με κυβικές spline. Άσκηση 1: Υπολογισμός ακρότατων σε πίνακα πειραματικών μετρήσεων. Άσκηση 2: Να υπολογισθεί η κυβική spline τριγωνομετρικής συνάρτησης και οι πρώτη & δεύτερη παράγωγος της σε κάποιο σημείο. πίλυση των ανωτέρω ασκήσεων / εργασιών στο Matlab ή Octave Αριθμητική ολοκλήρωση (1): Κανόνας τραπεζίου, Κανόνας του Simpson -1/3, Κανόνας του Simpson -3/8 Άσκηση 1: Ολοκλήρωση συνάρτησης με τον κανόνα του τραπεζίου και υπολογισμός σφάλματος. Άσκηση 2: Ολοκλήρωση συνάρτησης με τον κανόνα του Simpson -1/3 και υπολογισμός σφάλματος. Άσκηση 3: Ολοκλήρωση συνάρτησης με τον κανόνα του Simpson -3/8 και υπολογισμός σφάλματος. πίλυση των ανωτέρω ασκήσεων / εργασιών στο Matlab ή Octave Αριθμητική ολοκλήρωση (2): Κανόνας του Boole, Κανόνας του Weddle, Κανόνας του Romberg Άσκηση 1: Ολοκλήρωση συνάρτησης με τον κανόνα του Boole και υπολογισμός σφάλματος. Άσκηση 2: Ολοκλήρωση συνάρτησης με τον κανόνα του Weddle και υπολογισμός σφάλματος Άσκηση 3: Ολοκλήρωση συνάρτησης με τον κανόνα του Romberg και υπολογισμός σφάλματος. πίλυση των ανωτέρω ασκήσεων / εργασιών στο Matlab ή Octave Αριθμητικές επιλύσεις συνήθων διαφορικών εξισώσεων (1): Μέθοδος σειρών Taylor, Μέθοδος Euler, Σφάλματα και υστάθεια. Άσκηση 1: πίλυση διαφορικής εξίσωσης με τη μέθοδο σειρών Taylor 2ας τάξης και σύγκριση με αναλυτική λύση. Άσκηση 2: πίλυση διαφορικής εξίσωσης με τη μέθοδο Euler 2ας τάξης και σύγκριση με αναλυτική λύση. πίλυση των ανωτέρω ασκήσεων / εργασιών στο Matlab ή Octave Αριθμητικές επιλύσεις συνήθων διαφορικών εξισώσεων (2): Μέθοδος Runge-Kutta 2ης τάξης, Μέθοδος Runge- Kutta 4ης τάξης, Άσκηση 1: πίλυση διαφορικής εξίσωσης με τη μέθοδο Runge-Kutta 2ης τάξης και σύγκριση με αναλυτική λύση. Ανδρόνικος. Φιλιός Σελίδα 5 από 22 aef_eisigisi_ymm.doc